專利名稱：大升降壓比的雙向直流變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種大升降壓比的雙向直流變換器，屬于功率變換中的中大功率直流變換技術(shù)。
背景技術(shù)：
我國幅員遼闊，能源分布和電力需求不均衡，直流輸電具有輸送功率大，線路損耗小的優(yōu)點，適用于遠(yuǎn)距離輸電，故我國要建立強大的特高壓直流電力輸送網(wǎng)。隨著不可再生能源的日漸衰竭和環(huán)境污染加劇，人們開始致力于尋找和利用新的、清潔的可再生能源， 如風(fēng)能、太陽能和燃料電池等。這些新能源都要通過蓄電池的存儲能量然后與高壓直流電網(wǎng)進行傳輸或在直流電網(wǎng)上掛蓄電池。為了實現(xiàn)高壓直流電網(wǎng)與蓄電池之間能量的雙向流動，學(xué)者進行了很多雙向直流變換器方面的研究。目前，雙向直流變換器被應(yīng)用到新能源發(fā)電系統(tǒng)、電動汽車電源系統(tǒng)、不停電電源系統(tǒng)和飛機高壓直流電源系統(tǒng)等領(lǐng)域。針對高壓直流電網(wǎng)與蓄電池之間能量傳輸?shù)膱龊希?原有的單個變壓器的雙向變化器已經(jīng)無法滿足輸入高壓側(cè)耐壓及大功率的要求，必須采用高壓端串聯(lián)低壓端并聯(lián)的方式來降低單個模塊高壓側(cè)耐壓及滿足大功率的要求。傳統(tǒng)的雙向直流變換在高壓端串聯(lián)低壓端并聯(lián)的情況下，由于各模塊的器件以及控制信號無法完全一致，使得各個模塊的能量流動產(chǎn)生不同步，從而造成傳輸?shù)哪芰吭谀K之間存在環(huán)流致使傳輸效率很低。本專利提出一種大升降壓比的雙向直流變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)——主電路為兩級式雙向變換器，前級為原邊逆變副邊整流的雙向直流變壓器，后級為多管并聯(lián)的BUCK-BOOST型雙向變換器。前級實現(xiàn)多個模塊高壓端串聯(lián)低壓端并聯(lián)，再與后級BUCK-BOOST型雙向變換器電路進行級聯(lián)，由后級BUCK-BOOST雙向變換器電路控制能量流動方向，實現(xiàn)雙向流動。從而解決了多個并聯(lián)模塊間存在能量環(huán)流的問題，并且每個模塊的控制信號都是獨立的，減少了各模塊之間的檢測元件，實現(xiàn)錯頻控制，減少電磁干擾， 并有效降低驅(qū)動信號的電壓隔離等級，提高了變換器的可靠性，降低了成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在傳統(tǒng)的雙向直流變換器的基礎(chǔ)上，結(jié)合直流變壓器的特點，提出一種新型的高壓端串聯(lián)低壓端并聯(lián)的雙向直流變換器拓?fù)?，以解決高壓直流輸入高開關(guān)頻率， 低壓大電流輸出場合的功率變換問題。該變換器主電路的特征在于前級是原邊逆變副邊整流的雙向直流變壓器拓?fù)涠鄠€模塊高壓端串聯(lián)低壓端并聯(lián)，再與后級BUCK-BOOST型雙向直流變換器進行級聯(lián)，由后級 BUCK-BOOST型雙向直流變換器電路控制能量流動方向。雙向直流變壓器的原副邊對應(yīng)橋臂開關(guān)管采取固定占空比控制，并且采用錯頻控制，各模塊間以及本模塊內(nèi)的原副邊控制信號頻率都不同。本專利提出一種大升降壓比的雙向直流變換器，這種大功率雙向直流變化器的優(yōu)占是·
1)解決了傳統(tǒng)雙向變換器高壓端串聯(lián)低壓端并聯(lián)組合后會在各模塊間產(chǎn)生環(huán)流的問題，可以通過模塊組合方式適應(yīng)高壓輸入、大功率的場合2)直流變壓器的原副邊控制均采用固定的0. 5占空比，控制方法簡單方便，一般控制芯片都可以實現(xiàn)3)每個模塊及模塊內(nèi)部原副邊的控制信號都是由各模塊控制芯片獨立給定，有效降低驅(qū)動信號的隔離等級，實現(xiàn)各輸入錯頻控制，減少了電磁干擾，并減少了各模塊之間的檢測元件信號；


圖1是本發(fā)明電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖。圖2是雙向變換器的控制信號波形。圖3是雙向變換器雙向工作的控制框圖。圖1——圖2的主要符號名稱(1) ，UL, Vf_bus，Vf_bat，Vcon, Vref, Ve——分別為高壓側(cè)電壓，低壓側(cè)電壓，直流母線電壓反饋信號，蓄電池電壓反饋信號，控制工作模式切換的控制信號，電壓參考信號，誤差信號。⑵L_b。。st，IL_buck, Iref——分別為濾波電感電流反饋信號1，濾波電感電流反饋信號2，電流參考信號。(3) A1, Q12, Q13, Q14-Qnl, Qn2, Qn3，Qn4——分別為雙向直流變換器的高壓側(cè)開關(guān)管。(4)仏5，Q16, Q17, Q18-Qnl, Qn2，Qn3，Qn4——分別為雙向直流變換器的低壓側(cè)開關(guān)管。(S)QnQ1, -Qn, Qn,——分別為BUCK-BOOST型雙向變換器的開關(guān)管。(6)Dn-Dn8——分別為雙向直流變換器原副邊開關(guān)管的體二極管。(T)DnD1, -Dn, Dn,——分別為BUCK-BOOST型雙向變換器開關(guān)管的體二極管。(8) L——為雙向直流變換器濾波電感。(9)CH1-CHn——分別為雙向直流變換器的高壓側(cè)輸出電容。(IO)CL——為雙向直流變換器的低壓側(cè)輸出電容。(Il)T1-Tn~為隔離變壓器。
具體實施例方式大升降壓比的雙向直流變換器的主電路如圖1所示，采用多個雙向直流變壓器模塊高壓端串聯(lián)低壓端并聯(lián)的組合結(jié)構(gòu)，且每個模塊的變壓器原副邊器件及放置保持對稱。 組合后與后級BUCK-BOOST型雙向變換器進行級聯(lián)。該大升降壓比的雙向直流變換器拓?fù)浒ㄩ_關(guān)管、二極管、功率變壓器、輸出濾波電感、輸出濾波電容。具體的主電路拓?fù)淙鐖D1所示，其特征在于主電路前級由相同結(jié)構(gòu)的η個雙向直流變壓器模塊構(gòu)成一一1號模塊、2號模塊……η號模塊，η個模塊的高壓端串聯(lián)低壓端并聯(lián)，再與后級的BUCK-BOOST型雙向變換器進行級聯(lián)。以1號模塊為例。1號模塊為一個原邊逆變副邊整流的雙向直流變壓器拓?fù)?，每個模塊包含八個開關(guān)管、八個體二極管、一個隔離變壓器。每個實際開關(guān)管是一個開關(guān)管、一個體二極管并聯(lián)的組合。以下直接用開關(guān)管代替實際開關(guān)管進行描述。該雙向直流變壓器采用隔離型的全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。全橋型雙向直流變壓器主電路包括全橋逆變電路高頻隔離變壓器、輸出全橋整流電路。其連接方式為全橋逆變電路中包含四個開關(guān)管，開關(guān)管Q11與開關(guān)管Q12串聯(lián)構(gòu)成一個橋臂，開關(guān)管A3與開關(guān)管Q14串聯(lián)構(gòu)成另一個橋臂，開關(guān)管Q11的漏極與開關(guān)管Q13的漏極相連后接于高壓側(cè)電源Uh的正端，開關(guān)管Q12的源極與開關(guān)管Q14的源極相連后接于高壓側(cè)電源 的負(fù)端，開關(guān)管Q11與開關(guān)管Q14的串聯(lián)節(jié)點連于高頻隔離變壓器T1原邊繞組的同名端，開關(guān)管Q12與開關(guān)管Q13的串聯(lián)節(jié)點連于高頻隔離變壓器T1原邊繞組的異名端，高頻隔離變壓器T1的副邊繞組經(jīng)輸出全橋整流電路后作為后級電路的輸入電壓。全橋整流電路中也包含四個開關(guān)管，開關(guān)管A5與開關(guān)管Q^5串聯(lián)構(gòu)成一個橋臂，開關(guān)管A7與開關(guān)管Q18串聯(lián)構(gòu)成另一個橋臂，開關(guān)管Q15的漏極與開關(guān)管Q17的漏極相連后接于低壓壓側(cè)電源的正端，開關(guān)管Q16的源極與開關(guān)管Q18的源極相連后接于低壓側(cè)電源的負(fù)端，開關(guān)管Q15與開關(guān)管Q18的串聯(lián)節(jié)點連于高頻隔離變壓器T1副邊繞組的同名端，開關(guān)管 Q16與開關(guān)管Q17的串聯(lián)節(jié)點連于高頻隔離變壓器T1副邊繞組的異名端。2號模塊至η號模塊內(nèi)部器件的具體連接方式均與1號模塊相同，不再煞述。前級η個模塊高壓端串聯(lián)低壓端并聯(lián)后與后級多管并聯(lián)的BUCK-BOOST型雙向變換器進行級聯(lián)，后級變換器包含η個開關(guān)管、一個濾波電感、一個輸出電容。其連接方式為 開關(guān)管Q1, A……I的漏極與前級電路的正端相連，開關(guān)管Q1, A……I的源極與開關(guān)管^， Q2,……Qn,的漏極相連，開關(guān)管Q1, Q2……Qn與電感L串聯(lián)后接到低壓側(cè)電源隊的正端，開關(guān)管Q1,，Q2,……Qn,的源極與前級電路的正端相連，同時與電壓側(cè)電源隊的負(fù)端相連。電壓側(cè)輸出電容Q的正端與低壓側(cè)電源Ul的正端相連，Cl的負(fù)端與低壓側(cè)電源Ul的負(fù)端相連。本專利提出的大升降壓比的雙向直流變換器采用錯頻控制技術(shù)。以模塊1進行具體分析，其他模塊類同。同一個橋壁上的兩個開關(guān)管，如開關(guān)管A1與開關(guān)管Q12、開關(guān)管Q13 與開關(guān)管Q14都采用同樣的控制信號，每個開關(guān)周期內(nèi)開通時間和關(guān)斷時間是一樣的，即占空比為0. 5。變壓器原邊側(cè)的兩組不同橋壁的開關(guān)管控制信號互補，如如開關(guān)管Q11與開關(guān)管Q12導(dǎo)通時，開并管A3與開關(guān)管Q14處于關(guān)斷狀態(tài)。副邊側(cè)的兩組不同橋壁的開關(guān)管也是相同的控制策略，錯頻控制的主要特征在于原副邊的控制信號的周期可以不同，以下以模塊1為例分析錯頻控制的工作模態(tài)。如圖2所示，0時刻開關(guān)管Q11與開關(guān)管仏2開通時，開關(guān)管A3與開關(guān)管Q14處于關(guān)斷狀態(tài)，變壓器原邊兩端為高壓側(cè)電壓 ，此時副邊開關(guān)管A5 與開關(guān)管Q16也處于開通狀態(tài)，副邊輸出電壓為UH/N。、時刻開關(guān)管Q15與開關(guān)管Q16關(guān)斷， 開關(guān)管A7與開關(guān)管A8開通，此時開關(guān)管A5與開關(guān)管Q^5的體二極管導(dǎo)通。t2時刻開關(guān)管 Q11與開關(guān)管Q12關(guān)斷，開關(guān)管Q13與開關(guān)管Q14處于開通狀態(tài)，此時開關(guān)管Q15與開關(guān)管Q16的體二極管承受反壓關(guān)斷，能量通過開關(guān)管A7與開關(guān)管A8傳遞，副邊輸出電壓仍為Uh/N。t3 時刻開關(guān)管Q17與開關(guān)管Q18關(guān)斷，開關(guān)管Q15與開關(guān)管Q16開通，此時開關(guān)管Q17與開關(guān)管Q18 的體二極管導(dǎo)通。此后開關(guān)時刻都類似分析，從而保持仏/N輸出電壓。各模塊的控制信號都是通過各模塊獨立的控制芯片給定，因此各模塊的開關(guān)頻率是不完全相同的。后級的BUCK-BOOST型雙向變換器的控制信號如圖2所示，當(dāng)處于BUCK模式時，開關(guān)管(^Q2……Qn為主開關(guān)管，開關(guān)管A,，Q2,……Qn,不給驅(qū)動信號，處于關(guān)斷狀態(tài)，開關(guān)管 Q1,，Q2,……Qn,的體二級管D1,，D2,……Dn,作為續(xù)流二極管工作。當(dāng)處于BOOST模式時， 開關(guān)管Q1,，Q2,……Qn,為主開關(guān)管，開關(guān)管A，Q2……Qn不給驅(qū)動信號，處于關(guān)斷狀態(tài)，開關(guān)管仏，92……Qn的體二極管D1,D2……Dn作為BOOST電路的二極管工作。從而實現(xiàn)能量的雙向流動。調(diào)節(jié)器切換電路由兩路二選一模擬開關(guān)、一個電壓調(diào)節(jié)器、一個電流調(diào)節(jié)器組成， 如圖3所示。其工作原理為將直流母線電壓反饋信號Vf_bus和蓄電池電壓反饋信號Vf_bat 分別送到一個二選一模擬開關(guān)的χ和y通道，將濾波電感電流反饋信號llu。。st和濾波電感電流反饋信號2L_bu。k分別送到另一個二選一模擬開關(guān)的χ和y通道，二選一模擬開關(guān)的使能信號同樣由控制變換器工作模式切換的控制信號V。。n提供。誤差信號Ne送到控制器內(nèi)部誤差放大器的同相端EA+，經(jīng)電壓跟隨后與RAMP信號交截，以達(dá)到調(diào)節(jié)電壓或電流的目的。當(dāng)控制信號V。。n為低電平時，變換器工作在BOOST模式，濾波電感電流正向流動。 此時，兩路二選一模擬開關(guān)均選擇χ通道，Vf_bus和I^。st分別送到電壓調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的反相端。為了讓變換器工作在Boost穩(wěn)壓模式，實際檢測過來的IL-boost在穩(wěn)態(tài)時恒小于電流參考信號Iref，導(dǎo)致電流調(diào)節(jié)器飽和，而電壓調(diào)節(jié)器正常工作，所以穩(wěn)態(tài)時電壓調(diào)節(jié)器輸出低于電流調(diào)節(jié)器輸出，電壓調(diào)節(jié)器輸出送給控制器與RAMP信號交截，控制輸出信號大小實現(xiàn)直流母線穩(wěn)壓。當(dāng)控制信號V。。n為高電平時，變換器工作在BUCK模式，濾波電感電流反向流動。此時，兩路二選一模擬開關(guān)均選擇y通道，Vf_bat和Ipbudt分別送到電壓調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的反相端。為了讓變換器工作在Buck限流模式，實際檢測過來的Vf_bat在穩(wěn)態(tài)時恒小于電壓參考信號VMf，導(dǎo)致電壓調(diào)節(jié)器飽和，而電流調(diào)節(jié)器正常工作，所以穩(wěn)態(tài)時電流調(diào)節(jié)器輸出低于了電壓調(diào)節(jié)器輸出，電流調(diào)節(jié)器輸出送給控制器與RAMP信號交截，控制輸出信號的大小實現(xiàn)蓄電池恒流充電。電壓調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器在兩種工作模式下的分時工作，實現(xiàn)了 BUCK、BOOST兩種模式之間的平滑切換。
權(quán)利要求
1.一種大升降壓比的雙向直流變換器，主電路為兩級式雙向變換器，前級為多個雙向直流變壓器模塊高壓端串聯(lián)低壓端并聯(lián)，后級為多管并聯(lián)的BUCK-BOOST型雙向變換器。主要特征為對前級的雙向直流變壓器拓?fù)鋵崿F(xiàn)多個模塊高壓端串聯(lián)低壓端并聯(lián)，再與后級 BUCK-BOOST雙向變換器電路進行級聯(lián)，由后級BUCK-BOOST型雙向變換器電路控制能量流動方向，實現(xiàn)雙向流動。
2.雙向直流變壓器原副邊的控制采取固定占空比的方式，同一橋臂上的開關(guān)管控制信號互補。各模塊均獨立控制，驅(qū)動信號由各模塊控制芯片各自給定，各模塊間以及本模塊內(nèi)的原副邊開關(guān)管的控制信號頻率都不同即一種錯頻控制方式。
全文摘要
目前，我國正在建立強大的特高壓直流電力輸送網(wǎng)。但是由于新能源供電的隨機性，一般都需要蓄電池進行儲能后傳輸給電網(wǎng)或在直流電網(wǎng)上掛蓄電池，而雙向直流變換器具有一套硬件能實現(xiàn)能量雙向流動的特點，因此適用于高壓直流電網(wǎng)與蓄電池之間能量傳輸?shù)碾p向直流變換器成為研究的熱點。本專利提出一種高升降壓比的雙向直流變換器，能運用于高壓大功率的應(yīng)用場合。解決了原有的雙向變換器串并聯(lián)后能量在各模塊間流動的問題。其電路特征如下主電路為兩級式雙向變換器，前級為原邊逆變副邊整流的直流變壓器，后級為BUCK-BOOST型雙向變換器?？刂品绞綖楦鱾€模塊獨立控制，實現(xiàn)了錯頻控制，減少電磁干擾，并有效降低驅(qū)動信號的電壓隔離等級。
文檔編號H02M3/156GK102522897SQ20111041580
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月14日
發(fā)明者周峰, 朱丹, 王慧貞, 王璐, 陸凱成 申請人:南京航空航天大學(xué)